振南技术干货集：比萨斜塔要倒了,倾斜传感器快来！（2）

注解目录

1、倾斜传感器的那些基础干货

1.1 典型应用场景

（危楼、边坡、古建筑都是对倾斜敏感的。）

1.2 倾斜传感器的原理

1.2.1 滚珠式倾斜开关

1.2.2 加速度式倾斜传感器

1)直接输出倾角

2)加速度计算倾角

3)倾角精度的提高

（如果没看懂，振南教你个好办法：再看一遍。）

2、倾斜传感器温漂校准的基础知识

2.1 温漂产生的根源

（万物皆受温度影响。振南给你讲讲“调皮的尺子”。）

2.2 温漂的真实例子

（某项目的奇怪现象，一到中午数据就乱跳。亮一下壮观而精密的自动化校准装置。）

3、静态温控的实现与温补装置的迭代

3.1 制冷原理

（振南告诉你如何对传感器温漂校准。温度控制不难，但是不允许有振动，你作得到吗？）

3.2 静态温度控制

3.2.1 TEC 制冷

3.2.2 散热方案

3.2.3 倾角温补校准装置设计方案

3.2.4 多级 TEC 制冷

3.2.5 物理制冷

3.2.6 半导体制热

3.2.7 温控策略

3.2.8 多路温度的同步控制

（如何安静的制冷？TEC 及阵列、水冷、干冰、铝注冷技术、PTC、保温材料、比热容、热阻，还有温控算法，这些你应该了解一下。）

4、倾角校准与数据拟合

4.1 倾角校准装置的构成

4.2 倾角温补校准与数据拟合

4.3 分段校准的质疑

（多阶拟合算法，还有开源的 Polyfit 方案。来看看最终效果：温度乱舞，传感器却无波动。）

5、其它细节

5.1 真值的读取

5.2 规避震动干扰

5.3 克服地面不平问题

5.4 减震设计

（万事的成败在于细节。）

倾斜传感器温漂校准的基础知识

2.1 温漂产生的根源

我们知道任何物体都会或多或少的受到温度变化的影响,比如最普遍的热胀冷缩。传感器是基于物理材料制成的,所以从严格意义上来说,任何传感器都会产生温漂,即反映实际物理量的值随着温度变化而产生漂移。

关于传感器的温漂,我曾经做过一个讲座,名为《大话温补与温控》,算是把“温漂”比较通俗地进行了阐述，下面是讲座的一些核心内容。

个例子:《调皮的尺子》。

我们用尺子去测量长度,你量得准或是不准,真值就在那里,不长不短。但是在不同的温度下。尺子的示数可能是不同的，因为尺子会热胀冷缩,如图 16.6 所示。

图16.6 温度的变化使得尺子对长度测不准

也许你会说,这点温漂几乎可以忽略不计吧。确实,如果你的精度要求不高,温漂是可以无视的。但是很多应用场合下较得就是这个真儿,差一丝都不行。比如建筑物或边坡的倾斜,其实它们的倾斜量都是非常微小的，1年顶多倾斜0.1，但是如果倾斜传感器的温漂误差就有 0.几°,那基本上就把真值淹没了。

既然有温漂的存在,那我们如何能把物理量采准呢?

“调皮的尺子”有它的规律:每当-25C时,我们用它去测量 1000 um 的距离一定会示数 1003.1 um。所以,当我们看到 1 003.1 um 时,我们就知道实际是 1 000 pm(-25C)了。

那就出现一个问题:-25C时,测量 2 000 um 的距离,它会示数多少? 2 003.1 um? 2 006.2 um?都不是!因为在此温度下尺子的刻度变化可能是非线性的,不能依比例推算。那怎么办呢?

最笨的方法:在某一个温度下,我们记录下每个距离和与之对应的尺子示数,形成表格。以后测量的时候,拿着当前温度和尺子示数,去表里查它所对应的实际值是多少,如图 16.7 所示。

图16.7 各温度下示数与实际值的对应表

方法很简单,但是要编制这个表却不容易。

2.2 温漂的真实例子

当时,讲座讲到这里.有人问了一个问题.“就说倾斜传感器,温漂能对它产生多大的影响?举实际例子说一下。”我现场登录公司的 IOT 平台,找了几个实际项目在用的倾斜传感器,如图 16.8 所示。

图16.8 倾斜传感器在每天特定时间段产生尖峰

上图中的 3 个领斜传感器都是实际安装在平地上的,用于监测边坡地灾。每天在中午都会产生尖峰,这个波动范围大约是 0.0 几。难道说每天一到中午平地就会有微震?这显然是不符合逻辑的,其根本原因就是温漂。

现场有人进行了反驳,从 IoT 平台上找到了几个中午时段没有尖峰的例子

“请给我解释一下?”

“这些传感器应该没有被太阳直晒吧?有树荫遮着?”

项目总监此时说:“确实,这几处传感器都在林子里,上面有波动的传感器是直晒的。”

这下大家信服了。

项目上使用的倾斜传感器很明显是没有经过温漂校准的(也叫温度补偿,简称温补)。我们多么希望传感器不受温度等外界因素的影响,而直接输出稳定、可信、真实的示数啊!这就是我们追求的“理想传感器”。谁的产品越接近理想传感器,谁就越具有竞争力。

我们将上面所说的这张表内置到传感器中,使其输出依温度与原始示数查表之后的值传感器即向所谓的“理想传感器”迈进了一大步。

这张表是很庞大的,靠人工编制效率极低。我们要寻求更高效的方案,最好是无人参与的、全自动化的,如图 16.9 所示。

图16.9 北微倾斜传感器的自动化校准装置

北微传感的这套倾角自动化校准装置是委托中航工业研制的,用我们项目总监的话说“高品质产品的背后一定需要有雄厚的工业基础,我们简直就是小米加步枪。”

OK,终于引出了“倾角自动化校准装置”,振南研究倾斜传感器的近 1 年的时间,其实主要精力就在这套东西上,它是倾斜传感器达到真正意义上的高精度的核心。